KLATKA DLA WIATRU SŁONECZNEGO

KLATKA DLA WIATRU SŁONECZNEGO

DZIKO DRGAJĄCA MAGNETOSFERA • W WIRACH SŁONECZNEJ PLAZMY • BEZDŹWIĘCZNIE SZALEJĄCE SIŁY • CELOWY PORZĄDEK

Niewidzialne linie sił ziemskiego pola magnetycznego otaczają nasz glob niczym gęsta sieć; zmierzyć można je tylko w miejscu ich występowania przy użyciu igły magnetycznej bądź innego odpowiedniego przyrządu, a udowodnić ich obecność w poszczególnych punktach można za pomocą wyrafinowanych sztuczek, takich jak doświadczenie na Saharze. Gdybyśmy mogli widzieć pola magnetyczne, Ziemia zdawałaby nam się zamknięta w potężnej klatce, utworzonej z linii sił i składającej się w zasadzie z dwóch półkul równej wielkości. Tego specjalnego kształtu można się teoretycznie spodziewać, ponieważ Ziemia zachowuje się jiak magnes sztabkowy, którego bieguny mniej więcej, chociaż niezupełnie dokładnie odpowiadają geograficznym biegunom na północnym i południowym końcu ziemskiej osi obrotu. Także i w odniesieniu do Ziemi linie magnetycznego pola wychodzą z tych dwóch biegunów. Ciągną się one pionowo w górę, następnie odchylają do poziomu i na dużej wysokości przechodzą do bieguna przeciwległego, do którego wchodzą znowu prawie pionowo

Szukając odpowiedzi na zrazu dosyć akademicko brzmiące pytanie, jak daleko linie ziemskiego pola magnetycznego sięgają w przestrzeń, pytanie, którego postawienie także umożliwiły dopiero w ostatnich latach sondy kosmiczne, dokonano niebawem bardzo ciekawego odkrycia. Jak już opisywaliśmy, owe doświadczalne loty kosmiczne odkryły w ogóle istnienie wiatru słonecznego i szczegółowo go przebadały. Okazało się przy tym, że wiatr słoneczny i ziemskie pole magnetyczne jakby się wzajem wykluczały. Dla fizyków przeprowadzających te doświadczenia nie było to niespodzianką, skoro wiatr słoneczny w zasadzie składa się z elektrycznie naładowanych cząstek, których przebieg wskutek działania pola magnetycznego może ulec odchyleniu. Szczegółowe przebadanie warunków panujących w otoczeniu Ziemi w trakcie bardzo licznych dalszych lotów satelitów wykazało, że w całej przestrzeni wypełnionej liniami sił magnetycznych Ziemi praktycznie biorąc nie ma ani jednej cząstki pochodzącej od wiatru słonecznego (abstrahując od jednego ściśle określonego wyjątku, który jeszcze wyjaśnimy). Doświadczenie to potwierdzało się przy wszystkich sprawdzających badaniach z taką regularnością, że wykorzystano je do definicji nowego rozgraniczenia różnych rejonów w bliskiej Ziemi przestrzeni Wszechświata, a mianowicie do definicji "magnetosfery".

Nazwę tę nadano przestrzeni rozciągającej się ponad atmosferą ziemską, a opanowanej przez wpływy ziemskiego pola magnetycznego w takim stopniu, że wiatr słoneczny do niej dotrzeć nie może. Formułując to w sposób bardziej naukowy: "magnetosfera" jest to przestrzeń otaczająca Ziemię, wolna od plazmy. Ponieważ jak już wspominaliśmy, Ziemia w zasadzie zachowuje się jak magnes sztabkowy, z początku przypuszczano, że również magnetosfera, tak jak atmosfera, okaże się rzeczywiście "sferą" w prawdziwym tego słowa znaczeniu, to znaczy, że ona także wypełnia przestrzeń o praktycznie kulistym kształcie. Gdy jednak przystąpiono do dokładniejszego ustalania wymiarów tej przestrzeni – wciąż na podstawie dalszych doświadczalnych lotów satelitów – zaczął się stopniowo wyłaniać zupełnie inny, o wiele bardziej dramatyczny obraz.

Przede wszystkim wyniki wykazywały wciąż zmienne wartości oddalenia, do którego magnetosfera sięga w Kosmos w kierunku Słońca. Przekazy sond kosmicznych wahały się tutaj w granicach prawie 100 procent, przy czym z początku nie można było stwierdzić z całą pewnością, czy w grę wchodzą tu prawdziwe wartości pomiarowe, czy też może skutki błędów w obserwacji. W toku jednak dalszych badań za realnością wymierzanych wartości przemawiała niezmienność dolnej i górnej granicy danych przekazywanych przez sondy. O ile wartości pomiarów w poszczególnych przypadkach były nie do przewidzenia i za każdym razem różne, o tyle najmniejsza odległość tej części magnetosfery znajdowała się zawsze na 45 000 do 50 000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi, podczas gdy najdalsza nigdy nie przekraczała maksymalnej wartości około 80 000 kilometrów. Skoro tylko ktoś wpadł na pomysł odniesienia danych pomiarowych, pozornie wahających się dowolnie tu i tam, do procesów przebiegających jednocześnie na powierzchni Słońca – od razu stało się jasne, jak owe wyniki należy interpretować.

Natychmiast ujawniła się ścisła równoległość pomiędzy przebiegiem zjawisk w obu zakresach. Wahania przekazywanych przez sondy kosmiczne wartości, które dopiero co wydawały się tak dowolne, okazały się w rzeczywistości podległe prawidłom procesów przebiegających na powierzchni Słońca. Zawsze w okresach gdy Słońce było stosunkowo "spokojne", sonda przekazywała wartości najwyższe; w tym czasie więc granica pomiędzy magnetosfera a słoneczną plazmą wiatru słonecznego oddalała się od powierzchni Ziemi do 70000 czy 80 000 kilometrów. I odwrotnie, wartości pomiarowe zmniejszały się z tą samą regularnością zawsze krótko po wystąpieniu jakichś szczególnych zdarzeń na powierzchni Słońca, na przykład po wybuchu silnych protuberancji czy też rozbłysków.

Wyjaśnienie tego powiązania leżało jak na dłoni: niewidzialna klatka magnetyczna, otaczająca Ziemię i odpierająca od nas słoneczną plazmę liniami swych sił magnetycznych, drży i trzęsie się pod huraganowym ogniem mknących od Słońca cząstek niczym bańka mydlana od powiewu powietrza. I zawsze wówczas gdy rozbłyski (por. ii. 15) na Słońcu przejściowo wzmagają prąd cząstek wiatru słonecznego do stopnia "sztormu", burza owa deformuje kulisty kształt magnetosfery, wypychając jej najdalszą granicę o 20000 do 30000 kilometrów w kierunku Ziemi. Zwrócona ku Słońcu strona magnetosfery drga, innymi słowy, pod zmiennym naciskiem wiatru słonecznego tam i z powrotem w tej gigantycznej sikali równej dwu- i trzykrotnej średnicy Ziemi.

Należy sobie w tym momencie raz jeszcze uzmysłowić, że procesy te są absolutnie niewidoczne i materialnie nie dają się uchwycić z wyjątkiem zachowania się cząstek elementarnych towarzyszących wiatrowi słonecznemu. Nawet gdybyśmy się znaleźli w pojeździe kosmicznym w danym rejonie Wszechświata i tam wyjrzeli przez okno, nie widzielibyśmy nic innego jak tylko "pustą" przestrzeń kosmiczną. Sytuacja ta stanowi niewątpliwie szczególnie wyrazisty przykład z reguły nie uświadamianego faktu, że nasze narządy zmysłów są w stanie spostrzegać stosunkowo bardzo mały wycinek rzeczywistości, właśnie ten wycinek, który ma znaczenie biologiczne dla naszego zachowania w specjalnych warunkach ziemskich. Bardzo łatwo zapomina się, w jakim stopniu rzeczywistość świata w całej swojej realności przekracza to, co znamy jako nasz świat poglądowy. Tak samo cała magnetosfera i jej nieustanna dynamiczna reakcja na huraganowy ogień wiatru słonecznego nie jest dla nas widoczna i nie możemy w ogóle inaczej stwierdzić jej istnienia jak tylko przez sztuczne narządy zmysłów naszych nowoczesnych sond kosmicznych. Pomimo to wszystkie te procesy są nie tylko realnymi składnikami naszego świata, lecz mają w tym szczególnym przypadku ogromne znaczenie i dla nas samych. Magnetosfera bowiem spełnia w stosunku do nas i w odniesieniu do wiatru słonecznego taką samą funkcję ochrony, jaką wiatr ten spełnia w odniesieniu do nadbiegającego ze Wszechświata promieniowania kosmicznego.

Żyjemy więc pod osłoną dwóch niewidzialnych kuł, wsuniętych jedna w drugą, o których istnieniu jeszcze parę lat temu nikt nie miał w ogóle pojęcia. Pierwsza jest podtrzymywana przez wiatr słoneczny i stanowi ją rozciągająca się poza orbitę Plutona granica szoku, powstała ze zderzania się słonecznej plazmy z materią międzygwiazdową. Osłania ona cały Układ Słoneczny. Druga kula jest o wiele mniejsza, ale znaczenie jej – w każdym razie dla nas ludzi – jest nie mniej istotne i życiowo ważne. Tworzy ją opisana przez nas magmetosfera, która otaczając "tylko" Ziemię chroni ją przez to przed słoneczną plazmą.

Musimy raz jeszcze powrócić do kształtu owej drugiej "kuli" i do nadzwyczaj żywych i obfitujących w energię procesów przebiegających na jej powierzchni. Wahania jej zwróconej ku Słońcu połowy, wynoszące 20 000 do 30 000 kilometrów, stanowią bowiem tylko małą część tego przedziwnego obrazu, który począł się wyłaniać w trakcie badań przestrzeni kosmicznej, prowadzonych w ostatnich latach.

Fakt, że wahania tej "strony frontowej" ziemskiej powłoki magnetycznej uznać należy rzeczywiście za bezpośredni skutek wytworzonego przez wiatr słoneczny ciśnienia, został pośrednio potwierdzony także przez to, że fluktuacje tej granicy stawały się tym słabsze, im bardziej bocznie – zawsze patrząc od strony Słońca – sondy kosmiczne mierzyły jej odległość. Wartości mierzone poprzecznie do wiatru słonecznego, a więc jak gdyby na bokach magnetosfery, były nieomal niezmienne. Niezależnie od stanu powierzchni Słońca w danym momencie wszystkie sondy meldowały stale tę samą odległość około 90 000 kilometrów. Jasne jest, że tu gdzie wiatr słoneczny może natrafiać na strefę graniczną tylko pod całkowicie płaskim kątem, poniekąd "muskając" ją, kulisty kształt magnetosfery nie zostaje zakłócony; znaczy to, że tutaj jest ona najbardziej zbliżona do tej formy, którą miałaby cała, gdyby nie było wiatru słonecznego. Że owa prawie niezmienna odległość magnetycznej powłoki w tym miejscu jeszcze zawsze przekracza o mniej więcej 10 000 kilometrów największą kiedykolwiek wymierzoną odległość w kierunku Słońca, jest zarazem wyraźnym wskazaniem na to, że wiatr słoneczny właśnie "wieje" stale, że nawet i wtedy, gdy powierzchnia Słońca jest stosunkowo spokojna, uderza w magnetosferę z siłą wystarczającą na to, aby ją zawsze jeszcze wcisnąć właśnie o te 10 000 kilometrów.

Można by zrazu sądzić, że ta sama niezmienność i spokój, jakie odnoszą się aż do bocznych stron magnetosfery, powinny rozciągać się aż do jej strony odwrotnej. Strona ta położona jest jak gdyby za Ziemią, jest zatem niewidoczna od strony Słońca. W rzeczywistości sprawa ma się wręcz przeciwnie. Odkształcenie magnetosfery właśnie po jej stronie odwrotnej jest na pewnej odległości największe, panują tutaj warunki najsilniejszych turbulencji i najmniej przejrzyste. Jak jeszcze w dalszym ciągu zobaczymy, fakt ów jest bezpośrednim skutkiem tego, że w przypadku wiatru słonecznego naprawdę mamy do czynienia z "wiatrem" charakteryzującym się jeszcze wielu innymi oddziaływaniami, które znamy w powiązaniu z wiatrami ziemskimi. Po przeprowadzeniu wielokrotnych lotów i pomiarów, po dokonaniu mozolnych obliczeń, nadzwyczaj utrudnionych przez panujące właśnie w tym rejonie tak zupełnie nieoczekiwane i skomplikowane warunki – obecnie z cała pewnością wiadomo, że wiatr słoneczny niesie z sobą magnetosferę po jej od Słońca odwróconej stronie przeciwnej przez setki tysięcy, a prawdopodobnie nawet przez więcej jak milion kilometrów w dal, w Wszechświat, że ją jak gdyby wystrzępia. Magnetosfera trzepoce więc pod wpływem wirów plazmy słonecznej dosłownie niczym płomień świecy w prądzie powietrza.

To że owo trzepotanie należy rozumieć całkowicie dosłownie, potwierdziły po raz pierwszy pomiary przekazane na Ziemię przez międzyplanetarną sondę Mariner IV w końcu 1964 roku, w czasie pierwszej części jej historycznego lotu w kierunku Marsa. Mariner IV na swoim prostoliniowym torze lotu przekroczył wówczas przeciwną, tj. odwróconą od Słońca stronę magnetosfery nie mniej niż sześć razy kolejno po sobie w ciągu niecałej godziny, ponieważ w tym krótkim odcinku czasu został pomimo swej prędkości 40 000 kilometrów na godzinę tyle razy dogoniony i przegoniony przez trzepoczący na wietrze słonecznym tren magnetosfery. Gdy sobie całe to zdarzenie przedstawimy obrazowo, nabierzemy pojęcia o potędze i rozmiarze sił, szalejących niewidocznie i bezgłośnie nad naszymi głowami.

Gdybyśmy mogli widzieć pola magnetyczne – obraz szybującej w przestworzach Ziemi nie byłby podobny do uproszczonego schematu globu otoczonego klatką, którym posłużyliśmy się prowizorycznie i który podaliśmy na s. 149. Ów schemat Ziemi w słonecznym wietrze ukazuje rzeczywiste warunki w takim stopniu, w jakim jesteśmy obecnie w stanie je ogarnąć. Ziemia ciągnie więc za sobą ogon niczym kometa. Jest ona ciałem niebieskim posiadającym warkocz złożony z linii magnetycznych, a porównanie z kometą jest o tyle dopuszczalne, że w obu przypadkach w grę wchodzi ta sama siła, która przyczynia się do powstania warkocza i która wyznacza jego kierunek w Kosmosie, a mianowicie ciśnienie wiatru słonecznego.

Ten magnetyczny warkocz Ziemi interesuje nas szczególnie w powiązaniu z naszym tematem, wyjaśnia bowiem opisane poprzednio allenowskie pasy promieniowania. Kto bowiem dotąd uważnie śledził cały tok spraw, ten zapewne zwrócił uwagę na niejaką sprzeczność, którą musimy sobie teraz wyjaśnić, zanim będziemy mogli zamknąć rozdział "magnetosfera i wiatr słoneczny". Sprzeczność polega na tym, że zdefiniowaliśmy magnetosferę jako przestrzeń wokół Ziemi wolną od plazmy, mówiąc jednocześnie, że utworzona przez tę sferą pułapka magnetyczna chroni nas i nasze ziemskie otoczenie przed wiatrem słonecznym. Tymczasem głęboko wewnątrz magnetosfery, a więc znacznie niżej nad naszymi głowami, aniżeli wynikałoby to z jej granic, istnieją oba pasy Allena, składające się z protonów i elektronów pochodzących od plazmy słonecznej. W jaki sposób owe cząstki docierają do magnetosfery, w którym miejscu prześlizgują się poprzez magnetyczną obronę?

Sprawa dotychczas nie jest całkowicie wyjaśniona. Ale istnieje duże prawdopodobieństwo, że wtargnięcie następuje właśnie po stronie odwrotnej, w zasięgu "ogona" magnetosfery. Zawirowanie jej granicy jest tutaj tak znaczne, że miejscami najwyraźniej nie może być już mowy o zwartym uszczelnieniu. Dosłownie więc od tyłu chyłkiem wkrada się raz po raz poprzez barierę ochronną kilka cząstek słonecznej plazmy.

Jednakże one również nie dochodzą do powierzchni Ziemi. Są jak gdyby zatrzymywane przez drugą linię oporu, mianowicie przez zacieśniające się w pobliżu Ziemi, a więc przybierające na sile, linie pola magnetycznego, które intruzów, w zależności od ich właściwości fizycznych i elektrycznych, przechwytuje w dwóch strefach na wysokości 20000 i 6000 kilometrów nad Ziemią, i trzyma w zamknięciu w swego rodzaju – jak nazywają to fizycy – "magnetycznej klatce". Rolę tę pełnią opisane uprzednio pasy promieniowania van Allena, które przy bliższym rozpatrzeniu działających tu powiązań objawiają się nam jako pojemniki do łapania tych cząstek wiatru słonecznego, którym udało się w drodze wyjątku i przy zbiegu opisanych wyżej okoliczności prześliznąć przez osłonę magnetyczną.

Zachowanie się owych cząstek w ich magnetycznym więzieniu świadczy o tym, jak bardzo wciąż jeszcze i tutaj obfitują w energię i jak są niebezpieczne. Ich energia kinetyczna jest prawie nienaruszona i o wiele za wielka, aby w pasach promieniowania mogła po prostu ulec zahamowaniu. Przeciwnie, pędzą one tam dalej z nieomal niezmienną szybkością, ale teraz już po torach spiralnych, wciąż tam i z powrotem pomiędzy biegunem północnym a południowym Ziemi. Na jednorazowe przebycie całej tej trasy w obu kierunkach zużywają niewiele więcej ponad jedną sekundę. W ten sposób poszczególna cząstka może pozostawać przy życiu w obrębie jednego z obu pasów promieniowania przez całe tygodnie i miesiące, a w dolnym pasie wyróżniającym się szczególną stabilnością – nawet i kilka lat, dopóki wreszcie kiedyś przez jedną z dziur na biegunach nie odpłynie do atmosfery. A zdarzeniu takiemu, przygotowywanemu bądź przez przejściowe zmniejszenie ziemskiego pola magnetycznego, bądź przez szczególnie silną erupcję słoneczną, towarzyszą wtedy zakłócenia komunikacji radiowej na Ziemi oraz nasilenie zjawiska zórz polarnych.

Zatem Olaf Birkeland w swoich przypuszczeniach sprzed dzisiaj już ponad siedemdziesięciu łat ujął prawdziwy stan rzeczy z godną podziwu dokładnością. Tymczasem naprawdę sprawa jest jeszcze o wiele bardziej skomplikowana, aniżeli śniło się jemu i jego współczesnym.

Jakie więc odkryliśmy dotychczas powiązania? Wyszliśmy z założenia, że Ziemia w czasie swego lotu przez Wszechświat nie jest samowystarczalna, nie jest niezależna od zaopatrzenia z zewnątrz. Daje ona wprawdzie egzystującym na jej powierzchni formom życia do dyspozycji dostateczne ilości pożywienia i powietrza przez stałą regenerację posiadanych zapasów, ale sama jest zdana na konieczność nieprzerwanej dostawy energii dla podtrzymania owych obiegów. Dostarczycielem tej energii jest Słońce. Jak widzieliśmy jedynym źródłem energii mogącym tutaj wchodzić w grę są reakcje termojądrowe, a to zarówno ze względu na rozmiar zapotrzebowania, jak ogromnie długie okresy, w których energia ta musi napływać z wciąż niezmienną siłą.

Nieprawdopodobna wielkość rozmiarów Słońca okazała się przy tym z dwóch przyczyn zadziwiająco celowa. Jest ona – po pierwsze – koniecznym warunkiem osiągnięcia ekstremalnych ciśnień i temperatur, niezbędnych jako "zapłon inicjujący" do rozruchu atomowych procesów w centrum Słońca. Ponadto zaś olbrzymie cielsko naszej gwiazdy centralnej pełni najwyraźniej jeszcze także zadanie potężnego kosmicznych rozmiarów filtru, tłumiącego intensywność powstałej w jądrze Słońca energii do stopnia dla nas znośnego.

Następująca wzmianka wydaje się tu na miejscu: opis takiego stanu faktycznego zdaje się nasuwać czy też zakładać myśl, że Słońce posiada opisane właściwości "po to", abyśmy tu na Ziemi mogli byli powstać, co oczywiście zaraz wywołałoby dalsze pytanie, jaka to kierująca siła zdziałała, że sprawy te są tak celowo urządzone, jak je widzimy. W rzeczywistości należy oczywiście spojrzeć na powiązania te z odwrotnej strony. Z całą pewnością tak nie jest, że Słońce – pod jakimkolwiek by to było wpływem – dostosowało się do warunków życia na trzeciej ze swoich dziewięciu planet, życia, które w chwili jego powstania osnute było jeszcze mgłą dalekiej przyszłości. Niewątpliwie należy przyjąć jako punkt wyjściowy, że bezsporna celowość działających tu powiązań i adaptacji daje się wytłumaczyć tylko tym, że życie, takie jakie znamy tu na Ziemi, dostosowało się optymalnie do warunków założonych, panujących – i w bardzo zasadniczej części przez charakterystyczne właściwości Słońca spowodowanych. Chyba nie wymaga podkreślenia fakt, że rezultat tego rozwoju nie staje się przez to mniej podziwu godny. Jednakże kto powodu tego podziwu szuka czy też oczekuje po drugiej stronie, ten wpadnie w potrzask błędnej perspektywy swego własnego, przypadkowego widzenia.

Niemniej promieniowanie słoneczne – aby znów uchwycić przerwaną nić naszego rozumowania – zawiera także składniki, które mogą być dla nas niebezpieczne; są nimi obfitujące w energię cząstki wiatru słonecznego. Tymczasem przy bliższym rozpatrzeniu okazało się niespodziewanie, że właśnie owe składniki stają się dalszym i podstawowym uzasadnieniem roli Słońca jako niezbędnego dla naszego życia ciała niebieskiego. Wiatr słoneczny bowiem pozwala powstać wokół całego układu planetarnego owej olbrzymiej kuli, która zapobiega wnikaniu śmiercionośnego promieniowania kosmicznego do naszego Układu. Natomiast od samego – w stosunku do tego promieniowania znacznie mniej szkodliwego – wiatru słonecznego, chroni nas pole magnetyczne naszej Ziemi, otaczające nas ponad naszą atmosferą niczym druga kula.

Zamiast więc pustego, wrogiego życiu Wszechświata, w którym Ziemia porusza się jakoby wyizolowana i zagubiona – poznaliśmy już całą sieć zależności i powiązań, sięgających tu i tam w tym bliskim Słońcu wycinku Kosmosu; od kunsztownej i wielokrotnie wzajem zazębionej równowagi tych powiązań zależy stabilność naszego swojskiego ziemskiego środowiska, która tak błędnie i niesłusznie wydawała nam się oczywista. Zamiast podtrzymywanego przez wieki całe złudzenia o braku wszelkich zależności, nowoczesne badania kosmiczne odkrywają stale tyle nie znanych dotąd związków pomiędzy różnymi ciałami niebieskimi w naszym sąsiedztwie, że w świetle subtelnej równowagi swoich wewnętrznych relacji Układ Słoneczny jako całość przypomina nam mobil misternie zaprojektowany, unoszący się w wolnej przestrzeni kosmicznej.

Daleko nam jeszcze do końca naszej syntetycznej próby spojrzenia na wyniki najnowszych badań w tym zakresie. Księżyc nasz jest także wprzęgnięty w sieć zależności kosmicznych utrzymujących nas przy życiu. W jakiej formie się to odbywa, dowiemy się w trakcie odpowiedzi na- następne pytanie, którym się teraz zajmiemy; pytanie – skąd się bierze ziemskie pole magnetyczne.